無機(jī)非金屬纖維的性能及應(yīng)用

無機(jī)非金屬纖維的性能及應(yīng)用

0新材料組成材料近幾十年來，隨著無機(jī)洗脫水平的提高，無機(jī)洗脫液在航空航天和各種制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。無機(jī)非金屬纖維主要包括:玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維、玄武巖纖維等。無機(jī)非金屬纖維的性能主要有:較高的比剛度及比強(qiáng)度、隔熱、耐溫、相對低廉的成本、電絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長。其中以玻璃纖維最具代表性,玻璃纖維有短纖維和長絲兩種形式。玻璃纖維除了具備普通玻璃的一些性質(zhì)外,還具有一些新的特性,如消除了玻璃的脆性,質(zhì)地柔軟,有彈性,可并股、加捻,進(jìn)行紡織加工。玻璃纖維單絲的直徑從幾微米到二十幾微米,相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的l/20～l/5,每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成,通常可作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料、電絕緣材料、絕熱保溫材料、電路基板等,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。玻璃纖維按其成分分為:有堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維、耐化學(xué)藥品玻璃纖維、高強(qiáng)玻璃纖維、低介電玻璃纖維、高模量玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。其中無堿玻璃纖維以其良好的性能和低廉的價格占到增強(qiáng)材料的90%左右。復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。無機(jī)非金屬纖維制品主要用做復(fù)合材料的增強(qiáng)材料,體積分?jǐn)?shù)一般應(yīng)大于10%,最高可達(dá)90%左右。增強(qiáng)材料的纖維排列形式、纖維的種類、纖維表面狀態(tài)及浸潤劑、復(fù)合基體以及纖維與基體的界面情況等決定了復(fù)合材料的基本力學(xué)性能。纖維制品中纖維的排列形式或方向是可設(shè)計的。通過對纖維制品的基本結(jié)構(gòu)及加工工藝的調(diào)整、細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等,可以達(dá)到改善復(fù)合材料最終使用性能的目的。這種沒有經(jīng)過復(fù)合的纖維制品或纖維半制品稱為纖維預(yù)成形件或纖維預(yù)制件。三維編織和2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物是最具代表性的兩類結(jié)構(gòu),本文對其結(jié)構(gòu)、工藝和復(fù)合技術(shù)等進(jìn)行分析和討論。1汽車用針刺氈無機(jī)非金屬纖維制品主要包括:(1)非織造類纖維制品。如短纖針刺氈或連續(xù)纖維氈等,多用于過濾材料。玻璃纖維針刺氈已廣泛應(yīng)用于炭黑、鋼鐵、有色金屬、化工、焚燒等行業(yè)的煙氣凈化和粉塵回收。在氣濾方面,中、無堿膨體玻璃纖維過濾布(袋)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、冶金、化工、環(huán)保、水泥等行業(yè)的除塵濾氣。此外,玻璃纖維針刺氈可用于汽車工業(yè)中的隔音、吸聲、減震、阻燃等領(lǐng)域。(2)平面類織物。如各類玻璃纖維或碳纖維平紋、斜紋或緞紋織物等,可作為聚合物基復(fù)合材料的主要增強(qiáng)材料。(3)立體類三維織物。如高厚織物、筒形織物、錐形織物、變截面管狀織物及其他異形或仿形織物,這類織物絕大多數(shù)都比較厚。其基本結(jié)構(gòu)主要有機(jī)織結(jié)構(gòu)或機(jī)織變形結(jié)構(gòu)、編織結(jié)構(gòu)、針織結(jié)構(gòu)等。(4)細(xì)編、穿刺制品。細(xì)編工藝是通過手工或機(jī)械臂將連續(xù)纖維按規(guī)律在鋼針陣列或剛性纖維棒陣列中進(jìn)行纏繞,再經(jīng)過總體加壓而形成的具有一定剛性的纖維實體。穿刺工藝是將很多層平面織物壓在密布的鋼針矩陣內(nèi),讓鋼針陣列穿過每層織物,經(jīng)過加壓后,再將每根鋼針置換成連續(xù)纖維,最后形成纖維實體。(5)縫合制品。用縫線對非織造類纖維制品或平面織物在厚度方向進(jìn)行規(guī)律連接,形成具有一定厚度的纖維制品結(jié)構(gòu)件。(6)網(wǎng)格類纖維制品。廣泛應(yīng)用在建筑、制造及軍用產(chǎn)品領(lǐng)域,當(dāng)然,如果把預(yù)浸成形和浸膠成形產(chǎn)品包含進(jìn)來,其產(chǎn)品形式則更多。如纖維纏繞成形、片狀模塑料(SMC)成形和樹脂傳遞模塑成形(RTM)等。2進(jìn)展之一:雙軸抗針織物生產(chǎn)技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外對三維織造成形技術(shù)的研究逐漸形成熱點(diǎn)。三維整體結(jié)構(gòu)的編織物、機(jī)織物及多軸向針織物已成為發(fā)達(dá)國家關(guān)注的增強(qiáng)骨架材料,是發(fā)展航空航天和國防尖端技術(shù)必不可少的高性能技術(shù)材料。利用改進(jìn)的紡紗技術(shù)或?qū)ｉT織造技術(shù),可生產(chǎn)出諸如套筒類織物、錐形雙層織物、中空織物等;通過織物立體成形技術(shù),可生產(chǎn)出編織物、細(xì)編穿刺織物等復(fù)合材料預(yù)制件。2.1各織物或器體三維機(jī)織物按其結(jié)構(gòu)特征可分成3類:三維正交互鎖、三維斜聯(lián)互鎖和三維層聯(lián)互鎖。按織物成形形狀來分有7類:板塊型(分為等厚和不等厚板塊)、實心型(分等截面和不等截面)、筒型(分等截面和變截面筒狀織物)、封頂型(分等截面封頂和不等截面封頂)、加強(qiáng)筋型(分單邊加強(qiáng)和雙邊加強(qiáng))、多通管型(分對稱和非對稱型)、中空織物(分板塊型和構(gòu)件型)。中空織物是以波形或帶狀連接將上、下兩層面的織物連接成為一個整體。圖1為幾種三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)件,圖2為幾種斜聯(lián)互鎖式三維機(jī)織物。2.1.1m結(jié)構(gòu)機(jī)織物2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物是相鄰兩層經(jīng)紗每相互交換一次位置織入一根緯紗,從而形成厚度方向的不斷連接。2.5D技術(shù)是將機(jī)織的開口技術(shù)與編織的成形方式相結(jié)合而形成的立體織物成形技術(shù)。分為經(jīng)向2.5D和緯向2.5D技術(shù),是立體織物中較成熟的一種技術(shù)。采用經(jīng)向2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物的產(chǎn)品居多。經(jīng)向2.5D的原理是將經(jīng)紗系統(tǒng)分批控制,將相鄰兩層的分批經(jīng)紗按設(shè)計規(guī)律進(jìn)行位置交換并形成織口,每交換一次經(jīng)紗位置,引入一根緯紗,使彎曲的相鄰兩層經(jīng)紗與緯紗形成交織并貫穿于整個織物的厚度方向,從而可使織物制做得很厚。2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物具有仿形性和貼模性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工藝可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);但其纖維體積含量不能做的很高,結(jié)構(gòu)中疑似有盲孔(與外界無通道),面內(nèi)剪切性能較弱,抗壓性能不夠好。典型的2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物為相鄰兩層經(jīng)紗每隔一緯交換一次位置,經(jīng)紗與緯紗交織形成層間連接。一般地,經(jīng)紗呈波浪形屈曲狀態(tài),緯紗呈直線形。如圖3所示為典型2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物結(jié)構(gòu)示意圖,圖4為含法向紗的2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物單胞。2.1.2垂直交織的紗線三維正交機(jī)織物是在X、Y、Z三個方向上都有一定紗線比例分布的織物。采用雙軸織造時,緯紗貢獻(xiàn)在X方向上,織軸A提供織物長度方向(Y方向)的紗線,織軸B負(fù)責(zé)織物厚度方向(Z方向)垂直交織的紗線供應(yīng)。對于非平板狀織物,如鼻錐帽、回轉(zhuǎn)體織物等,Z向紗又稱為法向紗。此類織物多用于頭錐體等抗燒蝕及抗壓要求較高的部位。斜聯(lián)互鎖式三維機(jī)織物是由兩個系統(tǒng)紗線中的經(jīng)紗或緯紗,在經(jīng)紗方向和織物厚度方向(Z向)構(gòu)成的平行平面簇中或者在緯紗方向和織物厚度方向(Z向)構(gòu)成的平行平面簇中,形成傾斜對稱交織。有經(jīng)紗斜聯(lián)互鎖和緯紗斜聯(lián)互鎖兩種形式。按連接的深度可分為深連互鎖和淺連互鎖,同時又分為直連和彎連兩種類型。這類織物的最大優(yōu)點(diǎn)是抗分層效果好;缺點(diǎn)是面內(nèi)層間剪切性能較差。2.2維織造結(jié)構(gòu)編織技術(shù)以四步法三維四向和三維五向編織結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最廣。四步法三維編織是以紗線在相互垂直的方向上分批地作相向運(yùn)動,從而形成整體編織結(jié)構(gòu)。整體三維編織技術(shù)以其成形工藝簡單、成形速度較快以及能最大限度滿足織物尺寸要求及易于仿形編織等特點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。圖5為三維編織基本結(jié)構(gòu)。三維編織物這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)均勻性好、纖維體積含量較高、織物氣密性良好等特性,并越來越受到歡迎。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合工藝具有良好的適應(yīng)性,其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。3無機(jī)金屬纖維應(yīng)用不論纖維原料形式如何,只要能拉伸成具有一定強(qiáng)度的纖維,就不難獲得其粗紗和細(xì)紗,用來進(jìn)行織造從而形成織物。然而,纖維本身的特性對其加工性能有著重要的影響,纖維的彈性和斷裂伸長對織造性能的影響很大。與具有一定彈性或斷裂伸長的化纖和天然纖維不同,無機(jī)非金屬纖維大多呈現(xiàn)出剛度大、拉伸彈性差、斷裂伸長小和脆斷裂的特性,如表1所示。采用無機(jī)非金屬纖維為織造原料進(jìn)行織造時,由于纖維易脆斷、拉伸彈性較低且打結(jié)困難,會給織造帶來一系列的困難。織造開口時需要有張力補(bǔ)償,以減少對經(jīng)紗頻繁的拉伸,否則就會增加斷頭。對織機(jī)上的某些機(jī)構(gòu)也要做相應(yīng)的改造,以適應(yīng)纖維剛度大、彈性差、斷裂伸長小和脆斷裂的特點(diǎn),使織造過程能夠順利進(jìn)行。如采用電子送經(jīng)機(jī)構(gòu),減小開口高度,降低打緯力等。無機(jī)非金屬纖維材料的剛性大,一方面給織造帶來一定困難,另一方面也賦予了織物一種全新的特性。利用纖維剛性較大的特點(diǎn),使纖維制品三維立體成形變?yōu)榭赡?。正是隨著玻璃纖維的誕生而成功開發(fā)了立體織物,纖維較大的剛性使織物具有身骨——準(zhǔn)剛性。纖維制品從柔軟無身骨的傳統(tǒng)意義形態(tài),演變成準(zhǔn)剛體結(jié)構(gòu),再經(jīng)過相應(yīng)的復(fù)合工藝使其成形為剛體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。利用無機(jī)非金屬纖維剛性較大、強(qiáng)度高的特點(diǎn),可將其制做成纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)骨架材料。這類骨架材料往往要求具有一定的身骨,能夠支撐自身的形狀而不變形。無論纖維制品中纖維堆砌的緊密程度如何,通過織物組織結(jié)構(gòu)的立體化設(shè)計并結(jié)合纖維自身特性,可以制作出不同結(jié)構(gòu)特征的立體構(gòu)型。如具有一定厚度的圓桶形、截錐體形、變截面回轉(zhuǎn)體等幾何實體形狀。利用無機(jī)非金屬纖維斷裂伸長小的特點(diǎn),可以制備出較小或無變形的纖維制品。這類纖維骨架材料對穩(wěn)定尺寸具有積極的工程意義。纖維的脆性會給織造帶來困難,工程中常采用纖維表面處理技術(shù)或纖維包纏等技術(shù),可以部分解決此類問題。對無機(jī)非金屬纖維經(jīng)紗進(jìn)行上漿處理是一項很有意義的技術(shù)。一方面可以提高纖維的集束性,減少表面毛刺,降低斷頭率,另一方面能夠改善纖維的摩擦性能。在漿料成分的選擇上應(yīng)力求簡單,要保證在后道工序中退漿容易退盡,不留有任何殘留成分。4大孔隙結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用不同行業(yè)對立體織物或立體纖維制品關(guān)注點(diǎn)不同。航天領(lǐng)域大多要求產(chǎn)品具有纖維分布的空間多向性和較高的纖維體積含量,而正交三向細(xì)編穿刺纖維制品是這類制品的典型代表。既具有一定的多向纖維分布,又具有一定的纖維體積含量,同時又具有良好的仿形性和厚度,這類纖維制品多用于雷達(dá)罩、噴管、燃燒室等;薄型錐形仿形織物可用于航空雷達(dá)罩。然而,提高纖維體積含量和紗線彎曲是一對矛盾。如何從結(jié)構(gòu)和使用性能上調(diào)和這對矛盾,需要在工程實踐中根據(jù)最終使用環(huán)境不斷探索。另外,三維織物中紗線的彎曲對織物的最終使用性能產(chǎn)生兩方面的影響,一方面是紗線有規(guī)律而頻繁的彎曲,將另一系統(tǒng)的紗線緊緊鎖住,避免了紗線間產(chǎn)生滑移,使織物結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定;另一方面過多的紗線屈曲降低了紗線在織物增強(qiáng)方向的力學(xué)性能。從纖維復(fù)合材料應(yīng)用環(huán)境上來看,將纖維既當(dāng)作柔性體又看成是剛體設(shè)計,才能夠最大限度地發(fā)揮纖維增強(qiáng)的效用。充分利用連續(xù)纖維柔性交織、可以相互穿插和具有身骨的成形特點(diǎn),結(jié)合最終結(jié)構(gòu)件或功能材料的構(gòu)型,使一次成形或組合成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成為可能。一種大空隙立體網(wǎng)格連續(xù)纖維制品的研究正是在這種設(shè)計思想的影響下而興起的,它是實現(xiàn)輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能結(jié)構(gòu)材料的重要發(fā)展方向之一。如大空間中空織物、立體網(wǎng)格織物、網(wǎng)格仿形織物等。5維織造技術(shù)對復(fù)合陶瓷基復(fù)合材料的影響復(fù)合材料的成形方法按基體材料不同各異。樹脂基復(fù)合材料的成形方法較多,有手糊成形、噴射成形、纖維纏繞成形、模壓成形、拉擠成形、熱壓罐成形、隔膜成形、遷移成形、反應(yīng)注射成形、軟膜膨脹成形、沖壓成形等。金屬基復(fù)合材料成形方法分為固相成形法和液相成形法。前者是在低于基體熔點(diǎn)溫度下,通過施加壓力實現(xiàn)成形,包括擴(kuò)散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后,充填到增強(qiáng)體材料中,包括傳統(tǒng)鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等。陶瓷基復(fù)合材料的成形方法主要有固相燒結(jié)、化學(xué)氣相浸滲成形、化學(xué)氣相沉積成形等。三維編織與2.5D結(jié)構(gòu)在整體成形上或仿形能力方面存在一定差異,雖然在理論上三維編織能夠進(jìn)行任何仿形,但在實際工程中多采用立式編織工藝,對于大尺寸結(jié)構(gòu)編織,2.5D結(jié)構(gòu)可以通過輔助裝置來調(diào)整紗線路徑和控制紗線張力。然而,同樣狀態(tài)下的三維編織卻難以改變紗線路徑和對紗線進(jìn)行有效的張力控制。在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面,三維編織結(jié)構(gòu)是一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。雖然可以通過添加第五向紗來適當(dāng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和貼模仿形性。2.5D結(jié)構(gòu)由于是經(jīng)紗在兩個方向上作位置交換,經(jīng)紗每交換一次位置織入一根緯紗,織入的緯紗基本不受經(jīng)紗運(yùn)動的干擾,而且2.5D工藝可以對緯紗的張力進(jìn)行直接控制,這就加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性和對貼模仿形能力的控制,因此2.5D結(jié)構(gòu)是一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。一般而言,三維編織物的纖維體積含量要比2.5D結(jié)構(gòu)機(jī)織物略高一些。除纖維表面狀態(tài)外,織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合工藝有很大影響,比如:纖維體積含量及其分布狀態(tài)、流場通道以及盲孔等,這些影響可以通過一些技術(shù)措施進(jìn)行彌補(bǔ)。部分用戶反映對2.5D結(jié)構(gòu)復(fù)合沉積有困難,材料中氣泡難以排盡。而對復(fù)合技術(shù)很有經(jīng)驗的用戶對2.5D結(jié)構(gòu)氣相沉積(CVD)或液相浸漬(PIP)就很順利,材料的密度也很均勻。這就需要企業(yè)研發(fā)人員不斷積累試驗,逐步摸索出適合自己產(chǎn)品的復(fù)合技術(shù)。6織物結(jié)構(gòu)設(shè)計方法制品的結(jié)構(gòu)決定了其加工工藝,纖維的彎曲是制品加工中不可避免的問題。三維織物中紗線的彎曲對織物的最終使用性能產(chǎn)生兩方面的影響,一方面是紗線有規(guī)律而頻繁的彎曲將另一系統(tǒng)的紗線緊緊鎖住,避免了紗線間產(chǎn)生滑移,使織物結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定;另一方面過多的紗線屈曲降低了紗線在織物增強(qiáng)方向